摘要：文章對(duì)4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)目標(biāo)的發(fā)展情況進(jìn)行了探討，提出4G技術(shù)的發(fā)展前景和方向，對(duì)4G通信技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中將會(huì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行了分析。對(duì)第四代移動(dòng)通信產(chǎn)生的背景、現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行探討，通過(guò)分析第四代移動(dòng)通信的基本內(nèi)涵，第四代移動(dòng)通信的優(yōu)劣勢(shì)和4G的可選方案對(duì)第四代移動(dòng)通信進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。文章表明，第四代移動(dòng)通信不僅延續(xù)了上幾代移動(dòng)通信的優(yōu)點(diǎn)，更通過(guò)其獨(dú)有的技術(shù)，開(kāi)拓了無(wú)線通信的新領(lǐng)域。并介紹了當(dāng)前移動(dòng)通信背景下的5G技術(shù)，并對(duì)其技術(shù)路線進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：第四代移動(dòng)通信技術(shù); 4G技術(shù); 5G技術(shù)

1、引言

4G通信即第四代移動(dòng)通信的簡(jiǎn)稱，4G只是一個(gè)通用的名稱，還有B3G，Beyond IMT-2000，IMT-Advanced技術(shù)等名稱^[1]。4G通信技術(shù)是以傳統(tǒng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，并利用了一些新的通信技術(shù)，來(lái)不斷提高無(wú)線通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能的。如果說(shuō)現(xiàn)在的3G能提供一個(gè)高速傳輸?shù)臒o(wú)線通信環(huán)境的話，那么4G通信將是一種超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路^[2][3]。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無(wú)線及三維空間虛擬實(shí)境連線。盡管第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)各種多媒體通信，但4G通信能滿足第三代移動(dòng)通信尚不能達(dá)到的在覆蓋范圍、造價(jià)上支持的高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務(wù)的需要，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的無(wú)線多媒體通信服務(wù)將包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、影像等大量信息透過(guò)寬頻的信道傳送出去，為此第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)也稱為“多媒體移動(dòng)通信”。在第四代通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，我們簡(jiǎn)單介紹了第五代即下一代通信技術(shù)的基本技術(shù)指標(biāo)與面對(duì)的挑戰(zhàn)^[3][4]。

2、幾代移動(dòng)通信系統(tǒng)的對(duì)比

2.1 第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（1G）

第一代(1G)移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的通信技術(shù)主要有模擬蜂窩通信和頻分多址，具有代表性的系統(tǒng)有美國(guó)的AMPS系統(tǒng)、北歐的NMT-450系統(tǒng)、法國(guó)的450系統(tǒng)、英國(guó)的ETACS系統(tǒng)以及我國(guó)的TACS系統(tǒng)等^[5]。第一代通信系統(tǒng)有很多不足之處，比如，由于受到傳輸帶寬限制的原因不能進(jìn)行長(zhǎng)途漫游，不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，僅僅可以提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)，容量有限，通話效果差，保密性能也不夠好，用戶的接聽(tīng)范圍受限制，制式太多以及互不兼容等。

2.2 第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G）

第二代(2G)移動(dòng)通信系統(tǒng)采用的通信技術(shù)主要有時(shí)分多址和碼分多址，它克服了第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的弱點(diǎn)，不僅能提供話音業(yè)務(wù)，還能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且通話過(guò)程穩(wěn)定、音質(zhì)清晰，抗干擾性和保密性能也得到非常大的提高，可以進(jìn)行省內(nèi)和省際漫游，并具備接口開(kāi)放、容量大以及頻率資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)^[6]。具有代表性的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)有美國(guó)的CDMA95系統(tǒng)和歐洲的GSM系統(tǒng)，其中，GSM系統(tǒng)在第二代通信系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是，從安全性方面考慮，GSM系統(tǒng)還存在以下一些缺陷：身份認(rèn)證過(guò)程只是單向進(jìn)行，移動(dòng)終端無(wú)法鑒別和驗(yàn)證基站的合法，難以抵抗中l(wèi)’日J(rèn)人攻擊和偽基站攻擊：鑒權(quán)過(guò)程中，用戶身份(IMSI，International Mobile Subscriber Identificationnumber)是以明文形式在無(wú)線信道上傳輸，容易造成用戶4G尤線網(wǎng)絡(luò)安傘接入技術(shù)的研究的被跟蹤；核心網(wǎng)絡(luò)不能像空中接口那樣實(shí)現(xiàn)加密功能，用戶的信息和信令數(shù)據(jù)在基站間的傳輸鏈路上也是以明文方式傳輸，敏感信息容易因此泄露；系統(tǒng)缺乏對(duì)用戶信息和信令數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性認(rèn)證的機(jī)制；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意實(shí)體之間出現(xiàn)計(jì)費(fèi)糾紛的時(shí)候，系統(tǒng)缺乏第三方仲裁功能，從而不能有效解決計(jì)費(fèi)糾紛問(wèn)題；用戶身份認(rèn)證過(guò)程中，認(rèn)證密鑰是固定不變的，從而無(wú)法抵抗重放攻擊；系統(tǒng)的安全升級(jí)功能及其變更沒(méi)有得到全面詳細(xì)的考慮；由于沒(méi)有公開(kāi)安全算法的設(shè)計(jì)過(guò)程，其安全性能便得不到評(píng)價(jià)和改進(jìn)。

3.3 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）

第三代(3G)移動(dòng)通信系統(tǒng)可以覆蓋全球范圍，能支持高速的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，并能快速地與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接^[7]。對(duì)于聲音、圖像、視頻流等多種數(shù)據(jù)形式的處理過(guò)程，3G通信系統(tǒng)可以通過(guò)有效利用寬頻帶順暢地完成。2000年5月，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)確立了三個(gè)主流的3G通信系統(tǒng)無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)，并將其寫(xiě)入了3G技術(shù)指導(dǎo)性文件《2000年國(guó)際移動(dòng)通訊計(jì)劃》中，這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別是歐洲提出的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)倡導(dǎo)的CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)大唐電信公司主推的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。2007年1O月19日，國(guó)際電信聯(lián)盟在日內(nèi)瓦舉行的無(wú)線通信全體會(huì)議上，將WiMAX批準(zhǔn)為第四個(gè)正式的全球3G標(biāo)準(zhǔn)。雖然3G系統(tǒng)是為高速數(shù)據(jù)和流媒體業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，但在通信質(zhì)量和容量等方面還存在一些缺陷：3G通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)提供和業(yè)務(wù)管理不夠靈活，流媒體(視頻)的應(yīng)用不盡如人意；3G通信系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸還不成熟，接入速率有限；3G通信系統(tǒng)缺乏全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各種系統(tǒng)彼此不兼容，給用戶帶來(lái)諸多不便；3G通信系統(tǒng)所采用的語(yǔ)音交換架構(gòu)仍承襲了第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的電路交換，而不是采用純IP方式，因此容易受到多用戶的干擾，導(dǎo)致傳輸速率無(wú)法大幅度提高…。3GPP(第三代移動(dòng)通信伙伴計(jì)劃)技術(shù)規(guī)范組的第三工作組(S3)專門從事3G通信系統(tǒng)安全問(wèn)題的研究，S3I作組針對(duì)3G通信系統(tǒng)的新特性，定義了完善的安全特征、安全目標(biāo)以及安全服務(wù)121。盡管S3提出了很多的措施和機(jī)制來(lái)保障3G通信系統(tǒng)的安全，但是在安全需求方面仍然沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)：當(dāng)用戶首次向網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)、歸屬環(huán)境(HE，HomeEnvironment)無(wú)法從臨時(shí)身份(TMSI，TemporaryMobileSubscriberIdentity)恢復(fù)出IMSI以及訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)(AN，AccessNetwork)向HE請(qǐng)求用戶認(rèn)證向量的時(shí)候，用戶的IMSI將以明文的形式在空中接口傳遞，攻擊者從而可以截獲這個(gè)信息用于追蹤合法用戶，也可以利用截獲的IMSI向AN請(qǐng)求認(rèn)證向量，進(jìn)而偽裝成合法的基站來(lái)騙取用戶的接入；有線網(wǎng)絡(luò)部分缺乏認(rèn)證機(jī)制，各個(gè)實(shí)體問(wèn)既無(wú)法認(rèn)證彼此的身份，也無(wú)法認(rèn)證消息源，此外，在有線鏈路上傳輸?shù)挠脩粜畔⒑托帕顢?shù)據(jù)很容易被截獲并篡改，缺乏完整性和機(jī)密性保護(hù)機(jī)制。

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4G.5G技術(shù)發(fā)展前景及綜述.pdf